Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 8ª edição. MORAN & SHAPIRO. 2018 PDF

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8ª ed. Princípios de Termodinâmica para Engenharia O GEN | Grupo Editorial Nacional – maior plataforma editorial brasileira no segmento científico, técnico e profissional – publica conteúdos nas áreas de ciências da saúde, exatas, humanas, jurídicas e sociais aplicadas, além de prover serviços dire...

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8ª

ed.

Princípios de Termodinâmica para Engenharia

O GEN | Grupo Editorial Nacional – maior plataforma editorial brasileira no segmento científico, técnico e profissional – publica conteúdos nas áreas de ciências da saúde, exatas, humanas, jurídicas e sociais aplicadas, além de prover serviços direcionados à educação continuada e à preparação para concursos. As editoras que integram o GEN, das mais respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras decisivas para a formação acadêmica e o aperfeiçoamento de várias gerações de profissionais e estudantes, tendo se tornado sinônimo de qualidade e seriedade. A missão do GEN e dos núcleos de conteúdo que o compõem é prover a melhor informa­ção científica e distribuí­la de maneira flexível e conveniente, a preços justos, gerando benefícios e servindo a autores, docentes, livreiros, funcionários, colaboradores e acionistas. Nosso comportamento ético incondicional e nossa responsabilidade social e ambiental são reforçados pela natureza educacional de nossa atividade e dão sustentabilidade ao crescimento contínuo e à rentabilidade do grupo.

8ª

ed.

Princípios de Termodinâmica para Engenharia MICHAEL J. MORAN The Ohio State University

HOWARD N. SHAPIRO Iowa State University

DAISIE D. BOETTNER Coronel, U.S. Army

MARGARET B. BAILEY Rochester Institute of Technology Tradução e Revisão Técnica

Robson Pacheco Pereira, D.Sc.

Professor da Seção de Engenharia Química do IME/RJ (Atualizações da Oitava Edição)

Gisele Maria Ribeiro Vieira, D.Sc.

Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Mecânica do CEFET/RJ (Capítulos 1 a 7, 9 e 10)

Paulo Pedro Kenedi, D.Sc.

Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica do CEFET/RJ (Capítulos 12, 13 e 14)

Fernando Ribeiro da Silva, D.Sc.

Professor-Associado do Departamento de Engenharia Mecânica do CEFET/RJ (Capítulos 8 e 11)

Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Apesar dos melhores esforços dos autores, dos tradutores, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail [email protected]. Traduzido de FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS, EIGHTH EDITION Copyright © 2014, 2011, 2008, 2004, 2000, 1996, 1993, 1988 by John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. This translation published under license with the original publisher John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 978-1-118-41293-0 Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2018 by LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ – CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 [email protected] www.grupogen.com.br Capa: Léa Mara Produção digital: by Fancy Bear for fun Imagem de Capa: alex-mit | iStockphoto.com RonFullHD | iStockphoto.com curraheeshutter | iStockphoto.com Sauliakas | iStockphoto.com cogal | iStockphoto.com CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ P947 8. ed. Princípios de termodinâmica para engenharia / Michael J. Moran ... [et al.] ; tradução Robson Pacheco Pereira [et al.] - 8. ed. Rio de Janeiro : LTC, 2018. 28 cm. Tradução de: Fundamentals of engineering thermodynamics Apêndice Inclui bibliografia e índice ISBN 978-85-216-3489-8 1. Termodinâmica. I. Moran, Michael J. 17-43634

CDD: 621.4021 CDU: 621.43.016

Prefácio Um Livro para o Século XXI No século XXI, a termodinâmica aplicada à engenharia exerce papel central no desenvolvimento de processos mais eficientes para fornecer e usar energia, ao mesmo tempo em que reduz os sérios riscos para a saúde humana e o meio ambiente que acompanham a energia – incluindo a poluição atmosférica, a poluição da água e as variações climáticas globais. Além disso, as aplicações na bioengenharia, nos sistemas biomédicos e na nanotecnologia continuam a surgir. Este livro fornece as ferramentas necessárias para especialistas que trabalham nessas áreas. Para os não especialistas, o livro fornece o conhecimento centrado na tomada de decisões que envolvem tecnologia relacionada com a termodinâmica – no trabalho e como cidadãos conscientes. Os engenheiros do século XXI precisam de um sólido conjunto de habilidades analíticas e para a resolução de problemas, assim como de fundamentos para tratar de importantes questões sociais relativas à termodinâmica aplicada à engenharia. Esta oitava edição desenvolve essas habilidades e amplia significativamente a cobertura das suas aplicações fornecendo: • o contexto atual para o estudo dos princípios da termodinâmica; • os conhecimentos relevantes para tornar o assunto significativo a fim de enfrentar os desafios das futuras décadas; • os materiais significativos associados às tecnologias existentes levando em conta novos desafios. Nesta oitava edição, foram aprimoradas as características essenciais que tornaram o livro o maior destaque global no ensino da termodinâmica em engenharia. Somos reconhecidos por nossas explanações claras e concisas baseadas em fundamentos, pela pedagogia inovadora centrada na aprendizagem eficaz, e pelas aplicações relevantes e atualizadas. Por intermédio da criatividade e da experiência da equipe de autores, e com base na excelente avaliação de professores e estudantes, continuamos a aperfeiçoar aquela que se tornou a obra mais importante dessa disciplina.

Novidades da Oitava Edição A principal diferença deste livro para todos os outros textos destinados ao mesmo público-alvo acadêmico é a inserção de 700 novos problemas de final de capítulo no tópico c ▶ VERIFICAÇÃO DE APRENDIZADO . Os novos problemas fornecem a oportunidade para o aluno realizar uma autoverificação sobre os fundamentos apresentados e serve aos professores como fonte de tarefas simples e objetivas e testes rápidos. Está incluída uma variedade de exercícios, como forma de reforçar os conceitos apresentados. A oitava edição também apresenta um novo e agradável projeto gráfico com o intuito de ajudar os estudantes a: • melhor compreender e aplicar o assunto; e • entender perfeitamente a importância dos tópicos para a prática da engenharia e para a sociedade.

Outras Características Essenciais Esta edição também oferece, nas guardas do livro – sob o título Como Usar Este Livro de Forma Eficiente –, um roteiro atualizado com os principais recursos utilizados que tornam esta obra muito eficiente para a aprendizagem. Para entender na íntegra os muitos recursos incorporados ao livro, leia atentamente esse roteiro. Nesta edição, diversas melhorias para aprimorar a eficácia de aprendizagem foram inseridas ou atualizadas:

Os diagramas p–h para dois gases refrigerantes, CO2 (R-744) e R-410A, foram incluídos (Figuras A-10 e A-11, • respectivamente) no apêndice. A habilidade para localizar estados em diagramas de propriedades é importante na resolução dos problemas de final de capítulo. • Novas animações referentes a assuntos fundamentais são oferecidas para aprimorar a aprendizagem. Os estudantes irão desenvolver uma compreensão mais profunda do tema envolvido ao assistirem aos principais processos e fenômenos nas animações. • Os elementos de texto especiais apresentam ilustrações importantes sobre a termodinâmica aplicada à engenharia, voltadas para o meio ambiente, a sociedade e o mundo: • Novas apresentações do tema ENERGIA & MEIO AMBIENTE exploram tópicos relacionados com o aproveitamento de recursos energéticos e às questões ambientais na engenharia. • Discussões atualizadas do tema BIOCONEXÕES abrangem tópicos do livro que consideram as aplicações contemporâneas na biomedicina e bioengenharia. • Características adicionais do tema

HORIZONTES que ligam o assunto a questões instigantes do século XXI e

tecnologias emergentes foram incluídas. • Os problemas no final dos capítulos foram extensivamente revisados e centenas de novos problemas foram adicionados, considerando-se os quatro grupos em que estão dispostos: conceitual, verificação de aprendizado, construção de habilidades e projeto. • Materiais novos e revisados testados em sala de aula contribuem para a aprendizagem do estudante e a maior eficácia do professor: • Conteúdos novos importantes exploram como a termodinâmica contribui para enfrentar os desafios do século XXI. • Foram reforçados aspectos-chave dos fundamentos e das aplicações descritos no texto. • A fim de adequar a apresentação de certos conteúdos às necessidades de professores e estudantes, foram incluídas as seguintes mudanças testadas em sala de aula: • O número de comentários intitulados TOME NOTA... localizados às margens do texto principal foi ampliado para facilitar a aprendizagem do estudante; • Os assuntos organizados em boxes permitem que estudantes e professores explorem alguns tópicos com maior profundidade; • Novos conceitos, distribuídos pelas margens do texto principal em todo o livro, ajudam a acompanhar os assuntos tratados. • A utilização das tabelas e diagramas de propriedades é um pré-requisito para o emprego efetivo do programa Interactive Thermodynamics: IT, disponível como material suplementar a este livro-texto, para obter dados representativos. A versão atual do Interactive Thermodynamics: IT fornece dados para o CO2 (R-744) e R-410A utilizando como fonte o MiniREFPROP com permissão do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (National Institute of Standards and Technology – NIST).

Cursos para Aplicação Este livro pode ser adotado por diferentes cursos de graduação, entre os quais os de Física, Química, Engenharia Mecânica, Engenharia Química, Engenharia de Materiais, Engenharia Elétrica, Engenharia Civil, Engenharia de

Produção. Pode ser utilizado também, de forma mais profunda, em alguns cursos de pós-graduação que abordam esse conteúdo. Em cursos de graduação em Engenharia Mecânica, esta obra pode ser utilizada como livro-texto da disciplina Termodinâmica e ministrado em uma versão condensada com duração de um semestre ou em até dois semestres. Além disso, pode servir de apoio a outras disciplinas do curso, entre as quais Sistemas Térmicos, Máquinas Térmicas, Refrigeração e Climatização.

Agradecimentos Agradecemos aos muitos usuários de nossas edições anteriores, distribuídos em centenas de universidades e faculdades nos Estados Unidos, no Canadá e em todo o mundo, que continuam a contribuir para o desenvolvimento de nosso texto, por meio de seus comentários e críticas construtivas. Os colegas listados a seguir contribuíram para o desenvolvimento desta edição. Apreciamos profundamente as contribuições recebidas: Hisham A. Abdel-Aal, University of North Carolina Charlotte Alexis Abramson, Case Western Reserve University Edward Anderson, Texas Tech University Jason Armstrong, University of Buffalo Euiwon Bae, Purdue University H. Ed. Bargar, University of Alaska Amy Betz, Kansas State University John Biddle, California Polytechnic State University, Pomona Jim Braun, Purdue University Robert Brown, Iowa State University Marcello Canova, The Ohio State University Bruce Carroll, University of Florida Gary L. Catchen, The Pennsylvania State University Cho Lik Chan, University of Arizona John Cipolla, Northeastern University Matthew Clarke, University of Calgary Stephen Crown, University of Texas Pan American Ram Devireddy, Louisiana State University Jon F. Edd, Vanderbilt University Gloria Elliott, University of North Carolina Charlotte P. J. Florio, New Jersey Institute of Technology Steven Frankel, Purdue University Stephen Gent, South Dakota State University Nick Glumac, University of Illinois, Urbana-Champaign Jay Gore, Purdue University Nanak S. Grewal, University of North Dakota John Haglund, University of Texas at Austin Davyda Hammond, Germanna Community College Kelly O. Homan, Missouri University of Science and Technology-Rolla Andrew Kean, California Polytechnic State University, San Luis Obispo Jan Kleissl, University of California, San Diego Deify Law, Baylor University Xiaohua Li, University of North Texas Randall D. Manteufel, University of Texas at San Antonio

Michael Martin, Louisiana State University Alex Moutsoglou, South Dakota State University Sameer Naik, Purdue University Jay M. Ochterbeck, Clemson University Jason Olfert, University of Alberta Juan Ordonez, Florida State University Tayhas Palmore, Brown University Arne Pearlstein, University of Illinois, Urbana-Champaign Laurent Pilon, University of California, Los Angeles Michele Putko, University of Massachusetts Lowell Albert Ratner, The University of Iowa John Reisel, University of Wisconsin-Milwaukee Michael Renfro, University of Connecticut Michael Reynolds, University of Arkansas Donald E. Richards, Rose-Hulman Institute of Technology Robert Richards, Washington State University Edward Roberts, University of Calgary David Salac, University at Buffalo SUNY Brian Sangeorzan, Oakland University Alexei V. Saveliev, North Carolina State University Enrico Sciubba, University of Roma-Sapienza Dusan P. Sekulic, University of Kentucky Benjamin D. Shaw, University of California-Davis Angela Shih, California Polytechnic State University Pomona Gary L. Solbrekken, University of Missouri Clement C. Tang, University of North Dakota Constantine Tarawneh, University of Texas Pan American Evgeny Timofeev, McGill University Elisa Toulson, Michigan State University V. Ismet Ugursal, Dalhousie University Joseph Wang, University of California—San Diego Kevin Wanklyn, Kansas State University K. Max Zhang, Cornell University

As opiniões expressas neste livro são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente as opiniões dos colaboradores discriminados na listagem, assim como aqueles provenientes da Ohio State University, da Wayne State University, do Rochester Institute of Technology, da Academia Militar, do Departamento do Exército ou do Departamento de Defesa dos Estados Unidos. Da mesma forma reconhecemos os esforços de diversos membros da equipe da editora John Wiley and Sons, Inc. – organização que contribuiu com seus profissionais talentosos e sua energia para esta edição. Aplaudimos o profissionalismo e o comprometimento de todos eles. Continuamos a nos sentir extremamente gratificados pela boa aceitação deste livro em todos esses anos. Nesta edição, tornamos o texto ainda mais eficaz para o ensino da termodinâmica aplicada à engenharia e reforçamos consideravelmente a relevância do assunto para os estudantes que moldarão o século XXI. Como sempre, comentários, críticas e sugestões dos leitores serão muito bem-vindos.

Michael J. Moran [email protected] Howard N. Shapiro [email protected] Daisie D. Boettner [email protected] Margaret B. Bailey [email protected]

Material Suplementar Este livro conta com os seguintes materiais suplementares: ■ Animações: arquivos em formato .swf contendo animações que reforçam a matéria (acesso livre); ■ Demonstrando a Equivalência entre a Formulação de Entropia e de Kelvin-Planck: arquivo em formato .pdf (acesso livre); ■ Ilustrações da obra em formato de apresentação (.pdf) (restrito a docentes); ■ Interactive Thermodynamics – IT: software para resolução de problemas de computadores, em inglês (acesso livre); ■ Lecture PowerPoint Slides: apresentações para uso em sala de aula, em formato .ppt, em inglês (restrito a docentes); ■ Respostas das Questões de Verificação de Aprendizado: arquivos em formato .pdf (restrito a docentes); ■ Respostas de Problemas Selecionados: arquivos em formato .pdf (acesso livre); ■ Solutions Manual: arquivos em (.pdf), em inglês, contendo manual de soluções dos exercícios e problemas (restrito a docentes); ■ Visão Geral da Utilização das Tabelas de Vapor: arquivo em formato .pdf (acesso livre). O acesso aos materiais suplementares é gratuito. Basta que o leitor se cadastre em nosso site (www.grupogen.com.br), faça seu login e clique em GEN-IO, no menu superior do lado direito. É rápido e fácil. Caso haja alguma mudança no sistema ou dificuldade de acesso, entre em contato conosco ([email protected]).

DigiAulas Este livro contém videoaulas exclusivas, selecionadas a partir das DigiAulas. O que são DigiAulas? São videoaulas sobre temas comuns a todas as habilitações de Engenharia. Foram criadas e desenvolvidas pela LTC Editora para auxiliar os estudantes no aprimoramento de seu aprendizado. As DigiAulas são ministradas por professores com grande experiência nas disciplinas que apresentam em vídeo. Saiba mais em www.digiaulas.com.br. Princípios de Termodinâmica para Engenharia conta com as seguintes videoaulas:* ■ ■ ■ ■ ■ ■

Capítulo 1 (Conceitos Introdutórios e Definições): Vídeo indicado: 1.2. Capítulo 2 (Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica): Vídeo indicado: 2.3. Capítulo 3 (Avaliando Propriedades): Vídeo indicado: 3.1. Capítulo 5 (A Segunda Lei da Termodinâmica): Vídeo indicado: 2.5. Capítulo 8 (Sistemas de Potência a Vapor): Vídeo indicado: 5.1. Capítulo 14 (Equilíbrio de Fases e Químico): Vídeo indicado: 4.2.

_____________ * As instruções para o acesso às videoaulas encontram-se na orelha deste livro.

Sumário 1

Conceitos Introdutórios e Definições

1.1

Usando a Termodinâmica

1.2

Definindo Sistemas

1.3

1.4

1.2.1

Sistemas Fechados

1.2.2

Volumes de Controle

1.2.3

Selecionando a Fronteira do Sistema

Descrevendo Sistemas e Seus Comportamentos 1.3.1

Pontos de Vista Macroscópico e Microscópico da Termodinâmica

1.3.2

Propriedade, Estado e Processo

1.3.3

Propriedades Extensivas e Intensivas

1.3.4

Equilíbrio

Medindo Massa, Comprimento, Tempo e Força 1.4.1

Unidades SI

1.4.2

Unidades Inglesas de Engenharia

1.5

Volume Específico

1.6

Pressão

1.7

1.8

1.9

1.6.1

Medidas de Pressão

1.6.2

Empuxo

1.6.3

Unidades de Pressão

Temperatura 1.7.1

Termômetros

1.7.2

Escalas de Temperatura Kelvin e Rankine

1.7.3

Escalas Celsius e Fahrenheit

Projeto de Engenharia e Análise 1.8.1

Projeto

1.8.2

Análise

Metodologia para a Solução de Problemas de Termodinâmica

Resumo do Capítulo e Guia de Estudos

2

Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica

2.1

Revendo os Conceitos Mecânicos de Energia

2.2

2.1.1

Trabalho e Energia Cinética

2.1.2

Energia Potencial

2.1.3

Unidades para a Energia

2.1.4

Conservação de Energia em Mecânica

2.1.5

Comentário Final

Ampliando Nosso Conhecimento sobre Trabalho 2.2.1

Convenção de Sinais e Notação

2.2.2
...